固结度对长江漫滩相软土抗剪强度的影响

王振祥，王 军，钟 萍，崔志鹏，朱纬煦，吴 琪

(1.江苏省地质矿产局第一地质大队,江苏 南京 210041；(2.南京工业大学岩土工程研究所,江苏 南京 210009)

0 引 言

在长江中下游地区，漫滩相软土分布广泛，软土的工程性质较差，给城市建设中日益增多的轨道交通、深基坑等地下工程带来了问题(邱祖林等，2008；梅芹芹等，2018)。其中，抗剪强度作为评价土体结构稳定性和确立地基承载力的重要参数，对工程的安全性和经济性有重要影响。

前人对南京长江漫滩相软土的抗剪强度特性进行了研究：刘维正等(2010)结合现场原位测试探究了漫滩相软土结构性对不排水抗剪强度的影响，对漫滩区工程场地的地基处理提出了结构强度相关建议；王小龙等(2016)对漫滩相软土的关键指标进行分析，发现随着土层埋深的增大，软土不排水抗剪强度呈明显增加趋势，并给出了线性增加的关系式；阎长虹等(2015)对江苏地区不同成因软土的工程特性展开系列研究，认为长江漫滩相软土的抗剪强度参数与颗粒较细、含水量高及其絮状结构存在一定的关系。

在长江漫滩区，工程的施工或运行中常见沉降正在发展中的土层，其土体的固结尚未完全，抗剪强度特性差异显著。张朋等(2014)通过对黄河冲积平原的粉土进行一维固结试验发现，围压增大时，粉土1 h的沉降量与该级荷载下稳定后的沉降量差值减小；何群等(2005)通过对软土进行直剪试验发现，随着固结度的增加，土体抗剪强度逐渐提升，但增幅减缓；张银屏等(2005)基于三轴试验的结果指出，软土抗剪强度随固结度的变化规律受到土体类别和性质的影响；李佐良等(2012)对重塑软黏土进行三轴试验，发现随着固结度的增加，软黏土抗剪强度指标φ波动上升，但黏聚力c较小且基本为定值。根据以上研究可知，软黏土的抗剪强度与土体的固结程度具有较强的正相关性。

作为典型的区域性软土，关于长江漫滩相软土在不同固结度条件下的试验研究目前较为有限，尤其在抗剪强度方面的认知不够充分。因此结合当前长江漫滩区的工程建设需求，通过固结不排水条件下的三轴剪切试验，对不同固结度的长江漫滩相原状软土的抗剪强度及相关指标进行探究，为长江漫滩区工程场地的地基设计和施工提供参考依据。

1 试验内容与方法

1.1 试验土样

长江漫滩地层的工程地质条件较为复杂，属典型的河流冲积二元结构。受河流迂回摆动的影响，上部漫滩相软土层厚度变化较大。漫滩相软土为城市地下空间开发的主要地层(李方明，2019)，又因其透水性差、层理发育不良、土质处于流塑和可塑状态之间、天然含水率高等特性，成为重点研究对象。试验所用土样取自南京江北新区核心区某工程场地(图1)，各向异性显著，为典型的漫滩相软土。试样天然密度、含水率及孔隙比等基本物理性指标见表1。

图1 南京长江漫滩区域及取样钻孔的地理位置Fig.1 Yangtze River floodplain area in Nanjing section and geographical location of sampling boreholes

表1 试验用土物理性指标Table 1 Physical property index of test soil

1.2 试验方法

采用GDS静三轴仪进行固结不排水试验，按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)中三轴压缩试验方法进行，围压和固结度数据见表2。

表2 试验方案Table 2 Test scheme

1.3 固结度的判断

在室内试验中，从应变的角度，试样的固结度U定义为在一定的固结压力下试样在某一时刻的位移量与最终固结位移量的比值(黄文熙，1983)：

(1)

式(1)中，st为某一固结度对应的位移量，s∞为最大位移量。

在固结过程中，软土试样的位移量st与固结时间t的关系有一定的规律性。根据固结度的定义，对漫滩相软土试样的实测位移曲线进行处理，得到固结度随固结时间变化的曲线(图2)。初始固结条件相同，长江漫滩相软土的固结度U变化趋势基本相同(图2)。

图2 固结度与固结时间的关系曲线Fig.2 Relationship curves between consolidation degree and consolidation time

参考软土地基平均固结度的表达式(谢康和等，2002)，将固结度U转化为关于固结时间t的指数函数形式：

U=1-ke-bt

(2)

式(2)中，e为土体孔隙比，k、b为曲线的形状系数。

拟合结果表明，式(1)对于试样的固结度曲线拟合程度较高，因此可采用这一方法对长江漫滩相软土的固结度进行判断和控制。不同固结度相应的固结时间见表3。

表3 固结度及对应固结时间Table 3 Consolidation degree and the corresponding consolidation time

2 试验结果与分析

2.1 不同固结度下剪应力与剪切位移的关系

不同固结度下长江漫滩相软土的轴应变与偏应力的关系曲线(图3)显示：当轴应变较小时，偏应力增长迅速，应力应变基本呈线性关系，表明原状软土自身的强结构性可承担部分轴向应力；随着轴应变的增加，偏应力增幅逐渐减小，当剪切应力大于结构屈服应力时，承受的荷载基本稳定或下降，即可认为土体已发生破坏，此时软土呈现应力软化特征，即土体结构趋向理想塑性。

由图3可知，不同固结度下的漫滩相软土发生屈服破坏时，轴应变多在15%左右，即土体屈服破坏所需的剪切位移受固结度的影响较小。此外，同一应变下的偏应力随着初始固结围压的增大而显著提高。由此可见，当固结度为60%～100%时，增大初始固结围压在一定程度上可提高剪切强度。

图3 不同固结度下轴应变与偏应力的关系曲线Fig.3 Relationship curves between axial strain and deviator stress under different consolidation degrees

2.2 固结度对抗剪强度的影响

选取长江漫滩相软土峰值所对应的偏应力作为(σ1-σ3)f。在τ-σ坐标图上分别以(σ1f+σ3f)/2为圆心、(σ1f-σ3f)/2为半径，绘制不同固结条件下的摩尔应力圆。不同固结度下长江漫滩相软土的抗剪强度包线(图4)显示，同一有效围压下4个长江漫滩相软土试样的抗剪强度均随固结度的升高而明显增大，表明土样的固结度越高，颗粒间的胶结越充分，更容易形成整体强度。

图4 不同固结度下的摩尔应力圆及其抗剪强度包线Fig.4 Mohr′s stress circles and their shear strength envelope curves under different degrees of consolidation

不同固结度下的漫滩相软土抗剪强度变化趋势(图5)显示：当固结围压为50～100 kPa时，其抗剪强度随固结度提高的幅度基本相同。为方便实际工程中对不同固结程度的漫滩相软土抗剪强度进行取值，将某固结度的抗剪强度τf,u与完全固结时的抗剪强度τf,100%的比值定义为折减系数μ。

图5 不同固结度下的抗剪强度Fig.5 Shear strength under different degrees of consolidation

不同固结条件下漫滩相软土的抗剪强度折减系数μ(表4)显示，U=95%时长江漫滩相软土的τf折减系数μ为0.94～0.97，所用时间为完全固结时的1/2；U=80%时长江漫滩相软土的τf折减系数μ为0.75～0.81，所用时间为完全固结时的1/3。因此，对于漫滩区一般工程的场地力学特性参数试验，若可控制试样的U>80%(2.3～3.0 h)，可将该状态下获得的土体强度乘以1.2作为其工程强度，节约2/3的试验时间；若可控制试样的U>95%(5.0～6.5 h)，可将该状态下获得的土体强度直接作为其工程强度，节约1/2的试验时间。

表4 不同固结度下抗剪强度值的折减系数Table 4 Reduction coefficient of shear strength value under different degrees of consolidation

综上，考虑固结度这一影响因素可以有效缩短固结所用时间，有助于提高试验效率及工程勘察工作效率。

2.3 固结度对抗剪强度参数的影响

软土抗剪强度指标的测定在长江漫滩区的工程建设中具有重要的应用意义。根据不同固结度下长江漫滩相软土的抗剪强度包线(图4)，计算对应的内摩擦角φ与黏聚力c，二者随固结度U变化的曲线(图6)显示，长江漫滩相软土的内摩擦角φ整体上随U的提高而有所增大，增长趋势稍有波动(图6a)；黏聚力c随U的提高而增大，且增长速度加快(图6b)。主要原因是随着固结程度的提高，试样中的水分逐渐排出，土颗粒间结合更加紧密，最终提高了土体的黏聚力c值。

图6 内摩擦角φ(a)与黏聚力c(b)随固结度变化曲线Fig.6 Change curves of internal friction angle φ (a)and cohesive force c (b)with different degrees of consolidation

3 结 论

通过常规三轴试验，探讨在不同固结程度下长江漫滩相原状软土的抗剪强度变化特征。

(1)不同固结度下的漫滩相软土在发生屈服破坏时，轴应变多在15%左右，即软土破坏对应的剪切位移基本不受固结度U的影响。此外，随着初始有效围压的增大，偏应力有所提高。

(2)长江漫滩相软土的抗剪强度随固结度U的提高而显著增大。以土体抗剪强度值τf,100%为参考，给出了不同固结程度下对应的强度折减系数μ的参考值。

(3)对于原状长江漫滩相软土，内摩擦角φ随U的增加有所增大，增长趋势较为平缓；黏聚力c随U的提高而增大，且增长速度变快。